David Baker最新Nature论文：AI从头设计蛋白，中和致命蛇毒

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

蛇咬伤中毒是一种毁灭性和被忽视的热带病，每年夺走 10 多万人的生命，并给数十万人造成了严重并发症和长期残疾。三指毒素（three-finger toxin，3FTx） 是眼镜蛇蛇毒 的剧毒 成分，可引起多种病理症状 ，包括严重组织损伤以及对 烟碱型乙酰胆碱受体的抑制 ，中断神经-肌肉信号阻断，从而导致危及生命的神经毒性。

目前，蛇咬伤中毒的唯一治疗方法是使用来自免疫动物血浆的多克隆抗体的抗蛇毒血清，然而，这种疗法价格高昂、难以生产，通常存在严重副作用风险，而且对三指毒素的疗效有限 。

2025 年 1 月 15 日，蛋白质设计先驱David Baker教授在国际顶尖学术期刊Nature上发表了题为：De novo designed proteins neutralize lethal snake venom toxins 的研究论文 。

该研究通过人工智能（AI）从头设计出自然界中不存在的蛋白质，能够有效中和蛇毒中的剧毒成分，为开发更安全、更有效、更经济且更易获取的抗蛇毒疗法带来了新希望。

蛇咬伤中毒在许多发展中国家和地区构成了严重的公共卫生威胁，尤其是在撒哈拉以南非洲、南亚、巴布亚新几内亚和拉丁美洲的资源匮乏地区。每年有超过 200 万起蛇咬伤中毒事件，导致 10 万人死亡，30 万人终身残疾。这种中毒主要是由眼镜蛇毒素中的三指毒素（three-finger toxin，3FTx）引起。

2017 年，世界卫生组织（WHO）将蛇咬伤中毒列为最优先的被忽视的热带病。然而，目前用于改进现有抗蛇毒血清疗法的资源仍然有限。这些疗法依赖于从超免疫动物身上提取的血浆多克隆抗体，并辅以医疗和外科护理。

尽管抗蛇毒血清在挽救生命方面发挥了重要作用，但其高昂的生产成本以及偏远地区冷链基础设施不足的问题阻碍了其可及性。在抗蛇毒血清的使用过程中，包括过敏性休克和发热反应在内的严重不良反应构成了额外的挑战。此外，由于抗三指毒素的中和抗体浓度不足，这些治疗方法往往无法有效对抗神经毒性和组织坏死。这种无效性源于 3FTx 在抗蛇毒血清生产动物体内免疫原性有限，导致无法引发强烈的抗体反应。

基于抗体和非抗体的疗法已在临床前研究中得到测试，但这些分子类型的开发要么需要对动物进行免疫，要么需要开发大型分子库，这需要大量的筛选、选择和优化工作。

David Baker团队认为，相比传统的抗蛇毒血清的开发方法，从头设计蛋白的方法更有优势。

首先，从头设计蛋白质无需依赖动物免疫，所生成的蛋白质可通过重组 DNA 技术进行制造，从而可持续生产批次间更低差异的蛋白质产品。

其次，基于计算的设计使我们能够产生高亲和力和特异性的结合蛋白，而不需要广泛的实验筛选程序，这些筛选程序通常依赖于纯毒素，而从全蛇毒中分离或通过重组表达产生纯毒素可能具有挑战性。

第三，与大尺寸的抗体相比，从头设计的蛋白质尺寸更小，可以提供更强的组织穿透能力，从而实现快速中和毒素，更有效地中和局部组织损伤。

第四，从头设计的蛋白质具有更高的热稳定性，可以使用低成本的微生物发酵策略生产，而且更容易运输和长时间存储，有助于以更低的成本开发和部署新的抗蛇毒血清疗法。

因此，David Baker团队采用了他们之前开发的基于人工智能的蛋白质从头设计方法——RFdiffusion，来设计针对三指毒素（3FTx）蛇毒毒素家族中的短链和长链 α-神经毒素以及细胞毒素的抗蛇毒血清。研究团队探索了靶向单个天然毒素以及代表一类毒素分子的共识毒素的结合剂的设计，因为针对后者的结合剂可能具有更广泛的中和活性 。

具体来说，该研究使用RFdiffusion从头设计能够 结 合 3FTx 家族的短链和长链α-神经毒素和细胞毒素。只需 有限的实验筛选，研究团队获得了具有显著热稳定性、高亲和力以及与计算模型近乎原子水平一致性的蛋白质 。

该研究中从头设计的蛋白质在体外有效中和了所有三个 3FTx 亚家族，并保护小鼠免受致死性神经毒素攻击。这些从头设计的强效、稳定且易于制造的蛇毒中和蛋白，为更安全、更具成本效益且更易获取的下一代抗蛇毒血清疗法奠定了基础。

短期内，传统的抗蛇毒血清仍将是蛇咬伤中毒患者的主要治疗方法，但这些 AI 从头设计的抗蛇毒蛋白可以作为现有治疗方法补充或提高其疗效。此外，同样的设计方法还可以扩展到蛇咬伤中毒以外的其他缺乏有效疗法的疾病，包括病毒感染、自身免疫疾病等等。

研究团队表示，除了蛇咬伤中毒之外，这项研究突出了基于人工智能的计算设计能够大幅降低被忽视的热带病疗法开发的成本和资源需求，从而帮助实现药物发现和开发的普及，特别是在资源有限的情况下。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08393-x